원자 비교·교환: atomic_compare_exchange(C11)

원자 객체의 값을 바꾸려는데, 다른 스레드가 이미 값을 고쳤다면 곤란하겠죠. 그래서 '이 값이 여전히 내가 기대하는 값이면 교환하고, 아니면 그대로 두는' 연산이 필요해요. 이걸 한 번에 원자적으로 수행하는 함수가 atomic_compare_exchange 계열이에요. 더 이상 사용하지 않고 재사용하는 동시성 자료구조에서 빠질 수 없는 기본기입니다.

출처: cppreference

본문

시그니처

<stdatomic.h> 헤더에 정의돼 있어요.

형태	주석
`_Bool atomic_compare_exchange_strong(volatile A* obj, C* expected, C desired);`	(1) C11부터
`_Bool atomic_compare_exchange_weak(volatile A* obj, C* expected, C desired);`	(2) C11부터
`_Bool atomic_compare_exchange_strong_explicit(volatile A* obj, C* expected, C desired, memory_order succ, memory_order fail);`	(3) C11부터
`_Bool atomic_compare_exchange_weak_explicit(volatile A* obj, C* expected, C desired, memory_order succ, memory_order fail);`	(4) C11부터

동작 방식

obj가 가리키는 메모리의 내용과 expected가 가리키는 메모리의 내용을 원자적으로 비교해요. 만약 비트 단위로 같다면 전자를 desired로 바꿔요(read-modify-write 연산). 같지 않다면 obj가 가리키는 메모리의 실제 내용을 *expected로 읽어 와요(load 연산).

read-modify-write와 load 연산의 메모리 모델은 각각 succ와 fail이에요. (1)(2) 버전은 기본으로 memory_order_seq_cst를 사용해요.

여기서 한 가지 재미있는 점은 weak 형태((2), (4))예요. 그들은 설사 *obj == *expected이더라도 마치 다르게 보이는 것처럼 가짜로(spuriously) 실패할 수 있어요. 그래서 비교·교환을 루프 안에서 쓸 때는 weak 버전이 일부 플랫폼에서 더 좋은 성능을 보여 줍니다. 반대로 weak 버전이라면 루프가 필요하지만 strong 버전이라면 루프가 필요 없을 때는 strong 쪽이 더 낫고요. 요점은, 반복 시도할 거라면 weak, 아니면 strong이라는 거예요.

이 함수는 모든 원자 객체 타입 A에 대해 정의된 제네릭 함수예요. 인자는 volatile 원자 타입의 포인터라서 비휘발성·휘발성(예: 메모리 매핑 I/O) 원자 객체의 주소를 모두 받아들여요. C는 A에 대응하는 비원자 타입이에요.

제네릭 함수의 이름이 매크로인지 외부 연결을 가진 식별자인지는 규정되지 않았어요. 매크로 정의를 막고 실제 함수에 접근하려고 (atomic_compare_exchange)(...)처럼 괄호로 감싸 쓰는 경우, 또는 프로그램이 제네릭 함수 이름과 같은 외부 식별자를 정의하는 경우의 동작은 미정의(undefined)예요.

매개변수

매개변수	설명
`obj`	검사하고 수정할 원자 객체를 가리키는 포인터
`expected`	원자 객체에서 찾을 것으로 기대하는 값을 가리키는 포인터
`desired`	값이 기대와 같을 때 원자 객체에 저장할 값
`succ`	비교가 성공한 read-modify-write 연산의 메모리 동기화 순서. 모든 값 허용
`fail`	비교가 실패한 load 연산의 메모리 동기화 순서. `memory_order_release`나 `memory_order_acq_rel`은 쓸 수 없고, `succ`보다 강한 순서를 지정할 수 없음

반환값

비교 결과를 반환해요. *obj == *exp였으면 true, 아니면 false.

주의할 점

atomic_compare_exchange_* 계열의 동작은 다음 코드가 원자적으로 실행된 것과 같아요.

if (memcmp(obj, expected, sizeof *obj) == 0) {
    memcpy(obj, &desired, sizeof *obj);
    return true;
} else {
    memcpy(expected, obj, sizeof *obj);
    return false;
}

즉 성공하면 *expected는 그대로 두고, 실패하면 *expected에 실제 값을 채워 넣어서 호출자가 다시 시도할 때 쓸 수 있게 해 줍니다.

더 알아보기

atomic_exchange: 조건 없이 값을 맞바꾸는 원자 연산.
memory_order: 메모리 동기화 순서.
atomic_flag_test_and_set: 플래그 기반의 비교·교환류 동작.